🗊Презентация Парогенераторы АЭС. Первичные теплоносители. (Тема 3)

План лекции Требования к теплоносителям АЭС Вода Тяжелая вода Жидкие металлы Газообразные теплоносители

Требования к теплоносителям Свойства теплоносителей должны удовлетворять требованиям, определяемым условиями протекания процессов в первом контуре АЭС Ядерно-физические свойства: вещество из атомов с малым сечением захвата и рассеяния нейтронов. Высокая радиационная стойкость и минимально возможная способность к активации Физико-химические свойства: вещество не должно иметь высокой химической и электрохимической активности по отношению к материалам контура и рабочему телу Теплофизические свойства: теплоноситель должен обеспечить интенсивный отвод тепла из реактора при высоких температурах - высокая теплоемкость и теплопроводность, высокая температура кипения, низкая вязкость Эксплуатационные свойства: дешевое и распространенное вещество, нетоксичное, пожаро- и взрывобезопасное вещество

Требования к теплоносителям Отсутствует вещество, удовлетворяющее всем требованиям Наиболее распространенными теплоносителями ЯЭУ по совокупности их теплофизических, ядерно-физических и физико-химических характеристик являются: вода (обычная и тяжелая), газы (СО2, Не), жидкие металлы (Na) , органические теплоносители. Теплоносители можно разделить на группы: низкотемпературные, высокотемпературные (t > 450°C)

Свойства теплоносителей

Вода Самый дешевый и распространенный жидкий теплоноситель Благоприятные теплофизические свойства (высокие плотность, теплопроводность, теплоемкость; низкая вязкость) Коэффициенты теплоотдачи: w=0,3 м/с –  = 2103 Вт/(м2К) w=1,0 м/с –  = 5103 Вт/(м2К) w=5,0 м/с –  = 20103 Вт/(м2К) Затраты на перекачку воды по контуру невелики Хорошие ядерно-физические свойства (не только т/носитель, но и замедлитель) Хорошая устойчивость ее по отношению к ионизирующему излучению и практически невысокая склонность к активации (Период полураспада изотопа О19 составляет всего 29,4 сек)

Вода Недостатки воды: Высокое давление ее насыщенного пара, которое быстро растет с повышением температуры (при давлении 0,1 МПа температура насыщения 99.6, а при 22,11 МПа только 374.1°С ) Температурный уровень отвода тепла из реактора водой невысок – низкие параметры пара Зависимость плотности от температуры (пример: при давлении 10 МПа и изменении температуры от 250 до 300 °С удельный объем воды увеличивается на 11 % ) – необходимость компенсаторов объема Вода — хороший растворитель, что значительно усложняет водоподготовительные установки Вода - коррозионно-активное вещество

Тяжелая вода Тяжелая вода (D2O) по сравнению с обычной имеет существенно лучшие ядерно-физические свойства (применение тяжелой воды в качестве замедлителя нейтронов позволяет использовать в ядерном реакторе природный уран). Стоимость тяжелой воды очень высока (в природе – редкость) По своим физико-химическим свойствам тяжелая вода близка к обычной. Практически мало отличаются и ее теплофизические свойства. Применяется в основном в Канаде (реакторы Candu)

Жидкие металлы Необходимость ЖМТ – использование в реакторах БН ЖМТ: калий, натрий, свинец, литий, ртуть. Ценные ТФС (очень высокая теплопроводность, низкая вязкость, высокая Т кипения) Высокая температура кипения - низкие давления Р1 Неплохие ЯФС – простая атомная структура, не разлагаются под действием ИИ и высоких температур

Жидкие металлы Самый распространенный Na - БР-5, БН-350, БН-600, БН-800, Франция, Германия, Япония, США Достоинства Na: самая высокая теплопроводность, низкая вязкость, высокая Т кипения), совместимость с конструкционными материалами, возможность использовать при низких Р - малая толщина корпуса, малое гидравлическое сопротивление Недостатки: низкая теплоемкость – большая Δt1, высокая Т плавления (98°С), существенная активация (Т1/2 = 15 ч) !!! высокая активность с водой и воздухом приходится покупать в Китае и Франции

Жидкие металлы Сначала ртуть 1946 г. в США реактор Clementine чуть позже в Обнинске - БР-2 (БР-1 - воздух) 1959 в Обнинске - БР-5. (в 1 контуре - Na, во 2 - сплав Na-K) Сплавы Na и К по свойствам близки к чистым металлам, но теплопроводность ниже (в 2,5 раза). Зато не взрывается. Свинец (Pb) пожаро- и взрывобезопасен дешевле натрия Т кипения ещё выше - запас до кризиса теплообмена в случае трещин - сам застынет и загерметизирует Но! - высокая Т плавления - выше давление и установки разогрева Свинец - Висмут (Pb-Bi) снижает Т плавления, меньше замедляет нейтроны Большая история использования на АПЛ (только в СССР) Дорогой и редкий металл, проблемы с коррозией, наработка полония Проекты: СВБР-100 (2017), БРЕСТ-300 (2020), БН-1200 (2022)

Газообразные теплоносители хорошие ядерно-физические свойства газов: - малое сечение захвата тепловых нейтронов дает возможность использовать в газо-охлаждаемых реакторах необогащенный или слегка обогащенный уран; простые одноатомные газы в активной зоне реактора не разлагаются и не активируются. Разложение и активация сложных многоатомных газов (CO2) также незначительны; благоприятные эксплуатационные характеристики газо-охлаждаемых реакторов: реактивность реактора с газовым теплоносителем почти не зависит от содержания теплоносителя в активной зоне; физико-химические свойства: не обладают химической активностью и коррозионно-инертны (кроме CO2). Основной недостаток: плохие теплофизические свойства (низкая теплопроводность, теплоёмкость, плотность) – большие поверхности нагрева, большие расходы, большие затраты на перекачку Теплопередающие способности газовых теплоносителей существенно улучшаются при повышении давления. С повышением давления повышается плотность и почти пропорционально снижаются затраты на перекачку. Но увеличиваются кап.затраты на все элементы под давлением

Газообразные теплоносители – гелий (He) инертный газ, на Земле редкость, но во Вселенной 23% Достоинства: высокая теплопроводность, низкая вязкость отсутствие активации совместимость с конструкционными материалами альтернатива натрию для высокотемпературных реакторов Недостатки: малая теплоёмкость текучесть дороговизна

Газообразные теплоносители – углекислый газ (CO2) Активно применялся на первом этапе развития АЭС Достоинства: дешевизна и распространенность Недостатки: очень низкая теплопроводность большие поверхности нагрева и затраты на перекачку при попадании в воду – образование Н2СО3 и интенсивная коррозия оборудования